掺杂MgB_2超导块材的制备及其性能研究

【摘要】： 简单金属化合物MgB_2自2001年超导电性被发现至今，引起了世界各国科学家对其组织结构、超导原理、制备方法及应用前景的广泛兴趣。它具有较高的超导转变温度(T_c=39K)、大的相干长度(5-6nm)、较高的上临界场、没有晶界弱连接、晶体结构简单、原料成本低廉和成材容易等一系列的优点，是目前被认为最有可能首先实现大规模工业应用的超导材料。 本论文首先利用一种新的Mg扩散方法在常压下成功制备出致密的MgB_2超导块材及对其超导性能及磁通钉扎进行了研究，然后表征了不同Mg/B化学计量比对MgB_2超导体样品的物相、微观结构及超导性能的影响，最后利用固相反应法合成了一系列纳米Pr_6O_(11)掺杂的MgB_2块材，并详细研究了掺杂后对MgB_2超导体样品的超导电性及磁通钉扎性能的影响。论文共分为五章，主要内容简要归纳如下： 第一章首先主要介绍了超导体的发现及发展历史、两大基本性质；然后重点论述了超导体的同位素效应、几个重要特征参数、钉扎力和钉扎中心；最后简单叙述了超导体的应用前景。 第二章先简述了MgB_2超导体的发现及其物理化学特点；然后重点综述了MgB_2超导体的晶体结构、性能特点及研究现状，再对MgB_2超导体的临界电流密度特性、磁通钉扎性能及应用前景进行了讨论；最后对MgB_2超导体制备及成材过程中存在的问题进行了分析和总结。 第三章利用一种新的Mg扩散方法，在常压下成功制备出致密的MgB2超导块材，其样品密度最高达1.95g/cm~3。采用XRD、SEM对样品的微观结构、晶体结构及其相成分进行分析，利用MPMS超导量子磁强计测量样品磁矩随温度的变化曲线(M-T)和磁滞回线(M-H)。实验结果表明：加热到900℃保温24h后炉冷，所得到的样品性能最佳。该样品在50Oe的外场下，超导转变温度(T_c)为38.1K，转变宽度仅0.9K；10K，20K自场下临界电流密度(J_c)值分别达0.53，0.37 MA/cm~2。此外，通过添加少量纳米Pr_6O_(11)或者石墨，都能使MgB_2的实用化性能得到显著改进。 第四章采用固相反应法在常压下制备了一系列不同Mg/B化学计量比的Mg_xB_2(x=0.90，0.95，1.0，1.05，1.10)超导块材，并分别通过XRD，SEM和MPMS对MgB_2超导体样品的物相，微观结构和超导性能进行了表征。结果表明：名义组分为Mg_(0.95)B_2的样品临界电流密度J_c性能最好。由于Mg的不足，抑制了晶粒生长，同时也使得MgB_2内部Mg缺位、ΔT_c、FWHM、H_(c2)和H_(irr)的明显增加，显著改善了MgB_2的磁通钉扎性能。 第五章采用固相反应法制备了一系列纳米Pr_6O_(11)掺杂的MgB_2超导块材，掺杂量分别为0，1，3，5，10wt.%。X射线衍射结果表明：随着Pr_6O_(11)掺杂量的增加，MgB_2的晶格常数也逐渐增大，也就是说Pr原子部分替代了MgB_2晶格中的Mg原子。磁测量结果显示，Pr_6O_(11)的掺杂对MgB_2的超导转变温度(T_c)有很小的抑制。在低含量Pr_6O_(11)掺杂(1wt.%)时，MgB_2的临界电流密度(J_c)和不可逆场(H_(irr))均有明显的提高，但进一步提高Pr_6O_(11)的掺杂量时，会损害MgB_2在高场下的性能，同时也讨论了Pr_6O_(11)掺杂影响MgB_2的T_c和J_c性能的机理。